Глава 1. Происхождение жизни

Глава 1. Происхождение жизни

Планета бешено вращалась. Ночь и день сменяли друг друга с головокружительной быстротой: день длился всего пять-шесть часов. Тяжелая Луна угрожающе висела в небе (гораздо ближе, чем сегодня), отчего казалась крупнее. Звезды выглядывали редко, потому что в атмосфере было полно смога и пыли. Яркие нитки метеоритов часто прочерчивали ночное небо. Солнце — когда его вообще можно было разглядеть сквозь завесу рыжего смога — выглядело водянистым и хилым, лишенным нынешнего величия. В те времена люди не выжили бы. У нас, правда, не выскакивали бы из орбит глаза, как могло случиться на Марсе, но в воздухе, который наполнил бы наши легкие, не оказалось бы ни глотка кислорода. Мы прожили бы в такой атмосфере не больше минуты.

По правде сказать, Земля — неудачное имя для нашей планеты. Ей больше подошло бы название Море: даже сегодня океаны покрывают две трети ее поверхности, определяя ее лицо. А в седой (или лучше “голубой”?) древности Земля почти целиком была покрыта водой, и лишь несколько вулканических островков торчали из бушующих волн. Приливы, покорные висевшей так близко Луне, были колоссальны: перепады уровня моря достигали, вероятно, сотен футов. Крупные небесные тела (астероиды и кометы) реже сталкивались с Землей, чем прежде, когда падение крупнейшего из них привело к отпочкованию Луны, но и в этот сравнительно спокойный период океаны бурлили и пенились. Кипела не только поверхность, но и глубины: из трещин в земной коре выдавливалась магма. Преисподняя постоянно давала о себе знать извержениями многочисленных вулканов. Это был мир, лишенный равновесия, мир неустанной активности, буйный ребенок, из которого выросла Земля, как мы ее знаем.

В этом странном мире 3,8 миллиарда лет назад и возникла жизнь, которой, вероятно, отчасти передалась неугомонность нашей планеты. Мы знаем об этом потому, что крупицы горных пород той давней эпохи сохранились до наших дней. В этих крупицах заключены вкрапления углерода, изотопный состав которых несет на себе почти недвусмысленную печать жизни. Может показаться, что это слабое основание для столь важного вывода. Возможно, так и есть: среди специалистов пока нет единства мнений по этому вопросу. Если снять еще несколько слоев с луковицы времени, то к отметке 3,4 миллиарда лет назад признаки жизни окажутся совершенно однозначными. В то время мир уже кишел бактериями, оставившими след не только в виде изотопного состава углерода, но и в виде множества разнообразных форм микроокаменелостей, а также в виде увенчанных куполами соборов бактериальной жизни — метровых строматолитов. Бактерии правили Землей еще два с половиной миллиарда лет, после чего в палеонтологической летописи появились первые по-настоящему сложные организмы. Некоторые ученые полагают, что на самом деле бактерии никому не отдали планету: животные и растения, при всем их блеске, по-прежнему уступают бактериям по биомассе.

Что же на древней Земле вдохнуло жизнь в неорганическую стихию? Уникальны ли мы? Исключительно редки? Или наша планета — лишь один из миллиона миллиардов питомников жизни, разбросанных по Вселенной? Согласно антропному принципу, это не так важно. Если вероятность появления жизни составляет один шанс из миллиона миллиардов, то хотя бы на одной из миллиона миллиардов планет жизнь появится с вероятностью, близкой к единице. А поскольку мы, разумеется, обитаем на живой планете, она и должна быть той самой, одной из миллиона миллиардов. Какой бы исключительно редкой ни была жизнь, в бесконечной Вселенной всегда будет вероятность, что хотя бы на одной планете она возникнет, и именно на этой планете мы и живем.

Если эта заумь кажется вам (мне — кажется) не вполне убедительной, вот еще один не вполне убедительный ответ на вопрос о происхождении жизни — ответ, который давали такие авторитетные ученые, как Фред Хойл и Фрэнсис Крик. Жизнь возникла где-то еще, а после “заразила” нашу планету — случайно или по воле некоего богоподобного внеземного разума. Может, все так и было (кто даст голову на отсечение, что нет?), но большинство ученых не без оснований отвергают эту версию. Придерживаться ее — значит утверждать, что наука априори не отвечает на этот вопрос, даже не потрудившись разобраться, может ли она это сделать. Сторонники этой версии обычно ссылаются на проблему времени: они считают, что на Земле не успела бы сформироваться жизнь во всей ее ошеломляющей сложности.

Но кто сказал, что это так? Нобелевский лауреат Кристиан де Дюв приводит аргументы в пользу гораздо более интересного тезиса. Он утверждает, что быстрое возникновение жизни предопределили законы химии. Химические реакции в целом должны идти быстро или не идти вообще. Если на осуществление какой-либо реакции требуется целое тысячелетие, то с высокой вероятностью все реагенты за это время просто рассеются или распадутся, если только их запас не будет постоянно пополняться из продуктов других, более быстрых реакций. Происхождение жизни было, несомненно, химическим процессом, поэтому к нему применима та же логика: фундаментальные реакции, давшие начало жизни, должны были идти спонтанно и быстро. Поэтому, согласно де Дюву, гораздо вероятнее возникновение жизни за десять тысяч лет, чем за десять миллиардов.

Мы, вероятно, никогда не узнаем, как появилась жизнь на Земле. Даже если мы сможем получить бактерии или вывести каких-либо микробов, которые восстанут из пробирки с бурлящими химикатами, мы не сможем с уверенностью сказать, что жизнь на нашей планете возникла именно так. Можно будет лишь утверждать, что подобное возможно и, по-видимому, более вероятно, чем мы думали. Но предмет науки составляют не исключения, а правила, и правила, согласно которым жизнь зародилась на нашей собственной планете, должны работать по всей Вселенной. Поиски истоков жизни — это не попытки воссоздать то, что произошло в шесть тридцать утра в четверг за 3851 миллиард лет до нашей эры, а поиски общих правил, которым должна подчиняться жизнь где бы то ни было во Вселенной (особенно на Земле — единственной известной нам обитаемой планете). Хотя сценарий, который у нас при этом возникает, почти наверняка не будет во всех подробностях соответствовать действительности, по-моему, он вполне правдоподобен. Я хочу показать, что происхождение жизни — не такая уж великая тайна, какой его иногда изображают, и что жизнь возникает (может быть, почти с неизбежностью) из верчения земной коры.

Разумеется, предмет науки составляют не только правила, но и эксперименты, которые помогают формулировать эти правила. Наш рассказ начинается в судьбоносном 1953 году, отмеченном коронацией Елизаветы II, покорением Эвереста, смертью Сталина и открытием структуры ДНК, а также не в последнюю очередь экспериментом Миллера — Юри, из которого, можно сказать, и вышли все дальнейшие исследования происхождения жизни. Стэнли Миллер был в то время аспирантом в лаборатории нобелевского лауреата Гарольда Юри. Миллер умер в 2007 году, возможно, слегка обиженный на судьбу. До самой смерти он отстаивал взгляды, которых твердо придерживался целых полвека. Но каков бы ни был удел его своеобразных идей, главный вклад Миллера в науку составила ее новая область, которой он положил начало своими замечательными экспериментами. Результаты этих экспериментов и сегодня поражают воображение.

Миллер наполнил большую стеклянную колбу водой и смесью газов, которую он считал соответствующей первоначальному составу атмосферы Земли. Газы, которые он выбрал, входили (судя по данным спектроскопии) в состав атмосферы Юпитера, и было разумно предположить, что в древней атмосфере Земли они тоже были в изобилии: аммиак, метан и водород. Сквозь эту смесь Миллер пропускал электрические разряды, имитируя молнии, и долго ждал, что получится. Через несколько дней, через несколько недель и через несколько месяцев он брал образцы полученной смеси и анализировал их, определяя, что именно ему удалось “сварить”. То, что он обнаружил, превзошло даже самые смелые ожидания.

А “сварить” ему удалось первичный бульон — полумифическую смесь органических молекул, в том числе нескольких аминокислот — “строительных блоков”, из которых сложены белки, может быть, известнейших символов жизни, по крайней мере в те времена, когда ДНК пока не снискала славы. Еще поразительнее было то, что аминокислоты, формировавшиеся в ходе эксперимента Миллера в его бульоне, были из числа тех, что входят в состав всего живого, а не каких-то других, которые можно было бы случайным образом выбрать из обширного набора потенциально возможных. Иными словами, пропуская электрические разряды через газовую смесь, Миллер получил “строительные блоки” жизни. Они как будто только и ждали, когда их вызовут из небытия. Происхождение жизни сразу показалось довольно простым делом. Должно быть, эта идея оказалась созвучна духу того времени: Миллер со своим экспериментом попал даже на обложку журнала “Тайм” — беспрецедентный случай.

Однако впоследствии идея первичного бульона вышла из моды. Самым плачевным эпизодом в ее истории стали результаты анализа древнейших горных пород, из которого стало ясно, что атмосфера Земли никогда не была богата метаном, аммиаком и водородом — по крайней мере, после последнего великого обстрела астероидами, который привел к “отпочкованию” Луны. Эта мощнейшая бомбардировка уничтожила первичную атмосферу нашей планеты, унеся ее в космос. Более реалистичные модели первоначального состояния нынешней атмосферы оказались далеко не столь обнадеживающими. Если пропускать электрические разряды через смесь углекислого газа и азота со следовыми количествами метана и других газов, то молекул органических веществ получается гораздо меньше. В полученном вареве трудно будет найти хоть одну аминокислоту. В итоге опыт с первичным бульоном стали считать не более чем курьезом, хотя он убедительно продемонстрировал, что в лабораторных условиях органические молекулы вполне можно синтезировать простыми методами.

Концепцию первичного бульона спасло обнаружение больших количеств молекул органических веществ в космосе, в том числе (что особенно примечательно) в кометах и метеоритах. Оказалось, что некоторые из них, судя по всему, состоят почти исключительно из грязного льда и органических молекул и несут в себе набор аминокислот, на удивление похожий на тот, который можно получить, пропуская через газовую смесь электрические разряды. Складывалось впечатление, что молекулы жизни (составляющие лишь малую часть огромного множества всех возможных органических молекул) обладают какими-то свойствами, благоприятствующими их появлению. Великий обстрел астероидами теперь смотрелся совсем по-другому: не как череда сокрушительных ударов, а как изначальный источник воды и органических молекул, необходимых для запуска жизненных процессов. Первичный бульон теперь представлялся не чисто земным продуктом, а смесью, принесенной из космоса. И, хотя столкновение внеземного тела с Землей должно было приводить к повреждению многих составлявших его багаж органических молекул, расчеты свидетельствовали, что их должно было хватить для приготовления первичного бульона.

Эта идея (хотя она и не предполагала занесение спор жизни из космоса, которое отстаивал астроном Фред Хойл) вплетала происхождение жизни — по крайней мере, первичного бульона — в единую ткань Вселенной. Жизнь представлялась уже не единичным, исключительным случаем, а одной из главнейших космологических постоянных, неизбежной, как всемирное тяготение. Стоит ли говорить, что астробиологи пришли от этой идеи в восторг. Многие из них по-прежнему пребывают в восторге. Ведь идея была не только привлекательна в интеллектуальном плане, но еще и помогала им не потерять работу.

Специалистам по молекулярной генетике первичный бульон тоже пришелся по вкусу, особенно идея, что в основе жизни лежат репликаторы, прежде всего гены, записанные в молекулах ДИК или РНК, способных точно копироваться и передаваться следующему поколению (подробнее об этом — в главе 2). Совершенно верно, естественный отбор не может работать без репликатора того или иного рода, а жизнь может эволюционировать в сторону усложнения исключительно под влиянием естественного отбора. Поэтому для многих исследователей, занимающихся молекулярной биологией, вопрос о происхождении жизни есть вопрос происхождения репликации. А первичный бульон прекрасно согласуется с этой идеей, потому что он вроде бы содержит ингредиенты, необходимые для роста и эволюции конкурирующих репликаторов. В хорошем, густом бульоне для репликаторов найдется все, что нужно для образования все более длинных и сложных полимеров и, в конце концов, создания из других молекул таких замысловатых структур, как белки и клетки. Согласно этим представлениям, первичный бульон — это что-то вроде моря букв, которые только того и ждут, чтобы естественный отбор выудил их и составил из них превосходное литературное произведение.

Но все это делает идею первичного бульона пагубной. Она пагубна не потому, что наверняка ошибочна (вполне возможно, что на Земле действительно существовал когда-то первичный бульон, даже если он и был далеко не таким густым, как считалось), а потому, что в течение нескольких десятков лет отвлекала внимание исследователей от подлинных основ жизни. Возьмем большую консервную банку со стерилизованным бульоном (или арахисовым маслом) и оставим ее в покое на несколько миллионов лет. Возникнет ли в ней жизнь? Нет. Почему? Потому что оставленные на произвол судьбы ингредиенты будут лишь разлагаться. Регулярное нагревание этой банки в микроволновке ничуть не поможет делу и приведет лишь к тому, что бульон будет разлагаться еще быстрее. Отдельный мощный разряд, например удар молнии, может, и заставит несколько липких молекул собраться в комки, но намного вероятнее, что и он вызовет лишь распад. В состоянии ли он создать в бульоне популяцию сложных репликаторов? Сомневаюсь. Как поется в песне про арканзасского путешественника, “отсюда туда не добраться”. Это просто следует из законов термодинамики — как и невозможность оживить труп, многократно пропуская через него электрический ток.

“Термодинамика” — одно из тех слов, которых лучше избегать, если пишешь книгу, хоть как-то претендующую на популярность. Но эта дисциплина покажется интереснее, если рассматривать ее как науку о “желаниях”, каковой она и является. Атомы и молекулы обязаны своим существованием “притяжению” и “отталкиванию”, “потребностям” и “влечениям”. О химии почти невозможно писать, не прибегая к антропоморфизму. У молекул есть “потребность” в приобретении или утрате электронов, противоположные заряды притягиваются, а одинаковые — отталкиваются, молекулы одного типа влечет друг к другу. Химическая реакция происходит самопроизвольно, если у всех молекул-партнеров есть желание в ней участвовать, в противном же случае их можно заставить реагировать силой. И, разумеется, хотя у молекул некоторых веществ есть потребность реагировать, им сложно преодолеть врожденную робость. Осторожное ухаживание позволяет им обнаружить свое скрытое влечение и слиться в экстазе... Дальше, пожалуй, можно не продолжать.

Вот что я, собственно, хочу сказать: термодинамика управляет миром. Если у двух молекул нет потребности реагировать друг с другом, заставить их не так-то просто, а если есть, они будут реагировать, даже если им потребуется некоторое время, чтобы преодолеть свою робость. Всей нашей жизнью управляют подобного рода потребности. У молекул нашей пищи есть сильная потребность реагировать с кислородом, но, к счастью для нас, они не склонны реагировать с ним самопроизвольно (для этого они слишком робки), иначе мы все немедленно сгорели бы синим пламенем. Тем не менее, пламя жизни — медленное горение, которое поддерживает наше существование, — представляет собой реакцию именно этого типа: водород, отделенный от молекул пищи, реагируете кислородом, высвобождая энергию, необходимую для нашей жизнедеятельности¹. По сути, все живое существует благодаря “главной реакции” сходного типа — химической реакции, высвобождающей энергию, которая может использоваться для осуществления всех других, побочных реакций, составляющих в совокупности обмен веществ. Вся энергия, используемая нами на протяжении жизни, рождается из взаимодействия двух веществ, совершенно не склонных к уравновешенному сосуществованию — водорода и кислорода, — атомы которых сливаются в счастливом молекулярном союзе, высвобождая обильный заряд энергии и оставляя после себя лишь лужицу горячей воды.

Именно этим и плоха идея первичного бульона: она неглубока в термодинамическом плане. Все ингредиенты первичного бульона не испытывают особой потребности реагировать друг с другом, по крайней мере такой, какая свойственна водороду и кислороду. В нем нет неуравновешенности, нет движущей силы, которая толкала бы жизнь вверх и вверх по крутому энергетическому склону, приводя к образованию по-настоящему сложных полимеров, таких как белки, жиры, полисахариды, а также — и особенно! — РНК и ДНК. Идея, что репликаторы вроде РНК и были первыми формами жизни, возникшими прежде какой-либо термодинамической движущей силы, похожа, по словам Майка Рассела, на предположение, что “из автомобиля можно вынуть двигатель и ожидать, что он поедет за счет 6Р5-навигатора”. Но если жизнь получила свой двигатель не из первичного бульона, то откуда?

Первый ключ к разгадке этой тайны был обнаружен в начале 70-х годов XX века, когда неподалеку от Галапагосских островов нашли восходящие потоки нагретой воды, отмечавшие собой линию Галапагосского рифта. В свое время Дарвин, размышляя о богатстве природы этих островов, пришел к своей идее происхождения видов. Теперь же Галапагосы давали людям ключ к пониманию происхождения самой жизни.

Какое-то время не происходило ничего особенного. Затем, в 1977 году, спустя восемь лет после того, как Нил Армстронг ступил на поверхность Луны, глубоководный пилотируемый аппарат “Алвин”, принадлежащий ВМФ США, погрузился в Галапагосский рифт в поисках подводных гидротермальных источников, от которых предположительно поднимались теплые потоки, и обнаружил их. Но если само существование этих источников мало кого удивило, то необычайное богатство жизни, существующей в кромешной тьме глубин Галапагосского рифта, вызвало у исследователей настоящий шок. Гигантские черви рифтии, достигающие почти двух с половиной метров в длину, жили там в компании двустворчатых моллюсков размером с тарелку. Хотя в самом существовании глубоководных гигантов не было ничего удивительного (вспомним хотя бы гигантских кальмаров), само их обилие уже поражало воображение. Плотность населения обитателей полей глубоководных гидротермальных источников оказалась сравнимой с плотностью населения влажных тропических лесов и коралловых рифов, несмотря на то, что солнечные лучи таких глубин не достигают и вся энергия, за счет которой живут связанные с подобными источниками организмы, поступает из самих источников.

Но едва ли не более сильное впечатление произвели сами источники, которые вскоре получили название “черные курильщики”. Причем, как выяснилось, гидротермальные источники Галапагосского рифта были еще цветочками по сравнению с некоторыми другими из двух сотен открытых с тех пор полей глубоководных источников, разбросанных по океаническим хребтам Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Угрожающе нависшие над морским дном черные трубы, иные высотой с небоскреб, испускают бурлящие клубы черного дыма, изливающегося в толщу вод. Этот дым — на самом деле не дым, а раскаленный раствор сульфидов металлов в морской воде, поднимающийся от расположенных в глубине источников магматических печей, кислый как уксус и достигающий под колоссальным давлением океанских глубин температуры 400⁰ С. Когда раствор попадает в холодную воду, сульфиды выпадают в осадок. Сами трубы сложены из содержащих серу минералов, таких как пирит (известный также как “золото дураков”), выпадающих из черного дыма и образующих мощные отложения, покрывающие обширные участки океанского дна. Некоторые трубы растут с поразительной скоростью — до тридцати сантиметров в день — и могут, прежде чем обвалятся, достигать высоты шестидесяти метров.

Питаемый глубоководным вулканом “черный курильщик”, температура в жерлах которого достигает 350° С (хребет Хуан-де-Фука на северо-востоке Тихого океана).

Этот причудливый потаенный мир кажется видением ада, сходство с которым усугубляется обилием серы и исходящего от “черных курильщиков” зловонного сероводорода. А гигантских червей, лишенных и рта, и ануса, и бесчисленное множество безглазых креветок, кишащих на уступах под трубами, как стаи саранчи, кажется, могло породить лишь безудержное воображение Иеронима Босха. Причем население “черных курильщиков” не только способно переносить эти адские условия, но и не может жить без них и процветает благодаря им. Но как?

Ответ на этот вопрос связан с неравновесным состоянием системы. Когда морская вода просачивается к магме, залегающей под “черными курильщиками”, она перегревается и насыщается минералами и газами, в том числе — и это особенно важно — сероводородом. Серные бактерии способны извлекать из этой смеси водород и соединять его с молекулами углекислого газа, синтезируя органические вещества. Эта реакция лежит в основе всей связанной с гидротермальными источниками жизни, давая бактериям возможность благоденствовать и без солнечного света. Но переработка углекислого газа в органические вещества требует затрат энергии, и для ее получения серным бактериям нужен кислород. Реакция сероводорода с кислородом приводит к выделению энергии, за счет которой живет мир гидротермальных источников. Она равноценна реакции водорода с кислородом, которой мы сами обязаны жизнью. Поскольку в результате первой реакции получается не только вода, но и свободная сера (библейский жупел), бактерии были названы серными.

Стоит отметить, что бактерии гидротермальных источников не используют непосредственно ни тепло, ни что-либо другое, выделяемое источниками, кроме сероводорода². Сам по себе этот газ не богат энергией: энергию дает его реакция с кислородом, протекающая лишь на границе между источником и океаном, где два мира сходятся, создавая динамические неравновесные условия. Лишь бактерии, живущие в непосредственной близости от источника, могут, черпая из обоих миров, успешно осуществлять эти реакции. Животные, населяющие гидротермальные источники, в свою очередь, пасутся на бактериальных матах (как безглазые креветки) или самостоятельно выращивают бактерии, поддерживая внутри себя бактериальные фермы (так поступают рифтии). Поэтому-то гигантским червям не нужен пищеварительный тракт: их кормят изнутри “стада” живущих в них бактерий. Однако жесткая необходимость обеспечивать бактерий как сероводородом, так и кислородом ставит перед животными-хозяевами ряд непростых задач: им приходится впускать в свой организм частицы двух разных миров. Этим суровым требованием рифтии и обязаны многими удивительными чертами строения своего тела.

На условия гидротермальных источников вскоре обратили внимание ученые, интересующиеся происхождением жизни. Первым из них был Джон Баросс из Вашингтонского университета в Сиэтле. Гидротермальные источники позволяли разом решить многие проблемы, связанные с первичным бульоном, в том числе и термодинамическую: вполне очевидно, что в дыме, изрыгаемом “черными курильщиками”, нет никакого равновесия. Вместе с тем условия, которые складывались на границе между гидротермальными источниками и океанами в ранние геологические эпохи, должны были несколько отличаться от нынешних: в то время на Земле не было или почти не было кислорода. Реакция сероводорода с кислородом, как при дыхании современных серных бактерий, не могла быть движущей силой на заре жизни. Кроме того, дыхание на клеточном уровне представляет собой сложный процесс, который мог выработаться в ходе эволюции лишь за долгое время, поэтому оно никак не могло быть первичным источником энергии для древнейших форм жизни. Не верящий авторитетам немецкий химик и патентный поверенный Гюнтер Вехтерсхойзер предположил, что перводвигателем жизни стала реакция сероводорода с железом, в результате которой образуется минерал пирит. Эта реакция проходит спонтанно, с выделением небольшого количества энергии, которую можно использовать, по крайней мере теоретически.

Вехтерсхойзер предложил новую химическую схему происхождения жизни. Энергии, выделяемой при образовании пирита, недостаточно для переработки углекислого газа (диоксида углерода) в органические вещества. Поэтому, по мысли Вехтерсхойзера, они синтезировались из угарного газа (оксида углерода) — химически более активного посредника (этот газ и в самом деле присутствует в кислых гидротермальных источниках). При этом шли и другие медленные органические реакции с содержащими серу и железо минералами, по-видимому, обладающими особыми каталитическими свойствами. Кроме того, Вехтерсхойзер и его коллеги продемонстрировали протекание многих из теоретически предполагаемых реакций в лаборатории, доказав, что их версия — нечто большее, чем правдоподобные умозрительные построения. Это был настоящий прорыв, перевернувший сложившиеся за десятки лет представления о том, как могла возникнуть жизнь. Теперь ученые заговорили о том, что она вышла из поистине адской среды и была “сварена” из неожиданных ингредиентов, из которых принципиально важными были сероводород, угарный газ и пирит — два ядовитых газа и “золото дураков”. Один ученый, прочитав статью Вехтерсхойзера, заметил: у него возникло ощущение, будто он наткнулся на научную работу, провалившуюся к нам из конца XXI века через дыру во времени.

Вехтерсхойзер не только снискал похвалу, но и подвергся резкой критике: отчасти потому, что, будучи настоящим революционером, перевернул давно привычные представления, отчасти из-за своей заносчивости, отчасти в связи с тем, что нарисованная им картина дает повод для серьезных сомнений. Самое важное из них касается так называемой проблемы концентрации и относится в том числе и к идее первичного бульона. Любые органические молекулы должны рассеиваться в океанской воде, поэтому весьма маловероятно, что они вообще смогут встретиться, чтобы образовать полимеры вроде ДНК или РНК. Их нечему удержать. Вехтерсхойзер возражает: все предполагаемые им реакции могут протекать на поверхности минералов, таких как пирит. Но и здесь есть трудность: подобные реакции не могут идти до конца, если их конечные продукты будут оставаться на поверхности катализатора. Либо засорение, либо рассеяние все испортят³.

В середине 8о-х годов Майк Рассел (в настоящее время работает в Лаборатории реактивного движения в Пасадене) предложил решение всех этих проблем. У Рассела есть склонность к витиеватому языку “геопоэзии”, а его представления о жизни строятся на термодинамическом и геохимическом фундаменте, знакомом, судя по всему, мало кому из биохимиков. Но в последние три десятилетия у него находится все больше сторонников, видящих в его версии единственное убедительное решение загадки происхождения жизни.

Вехтерсхойзер и Рассел соглашаются друг с другом в том, что гидротермальные источники сыграли в происхождении жизни ключевую роль. В остальном же их взгляды диаметрально противоположны: первый предполагает здесь участие вулканической активности, второй — совсем других процессов, первый — кислых источников, второй — щелочных. Для идей, которые иногда путают, их гипотезы имеют на удивление мало общего. Сейчас я все объясню.

В океанических хребтах, на которых растут “черные курильщики”, образуется новый материал морского дна. Поднимающаяся к поверхности в этих центрах вулканической активности магма медленно раздвигает литосферные плиты, и они расползаются примерно с той же скоростью, с какой растут ногти у нас на ногах. Вдали от хребтов, где расходящиеся плиты сталкиваются, одной плите приходится подныривать под другую, вызывая у той жестокие конвульсии. Из-за столкновений литосферных плит появились и Гималаи, и Анды, и Альпы. Но медленное движение молодой земной коры по морскому дну приводит и к выходу на поверхность новых горных пород из мантии — слоя, расположенного непосредственно под земной корой. В местах выхода этих пород возникают гидротермальные источники второго типа, сильно отличающиеся от “черных курильщиков”. Именно их Рассел считает колыбелью жизни.

Гидротермальные источники этого типа имеют не вулканическое происхождение, и магма в их работе не участвует. Они функционируют за счет реакции обнажившихся пород с морской водой. Вода не просто просачивается вглубь них: она реагирует с этими породами, включается в их состав, меняя их строение и образуя минералы класса гидроксидов, как серпентин (змеевик), названный так за сходство с крапчатой шкурой змеи. Реакция с морской водой приводит к расширению породы, и в ней образуются разломы и трещины, которые, в свою очередь, тоже пропускают морскую воду, способствуя поддержанию процесса. Масштабы таких реакций поразительны. Полагают, что объем воды, связанной подобным образом в породах, равен объему всех океанов вместе взятых. При расползании океанического дна эти раздутые гидратированные породы рано или поздно подныривают под другую плиту и вновь оказываются в мантии, где опять перегреваются. Вода из них при этом выходит, изливаясь в недра планеты. Это “загрязнение” морской водой служит движущей силой конвекционных потоков в глубине мантии, выталкивающих магму на поверхность в срединно-океанических хребтах и вулканах. Так что бурная вулканическая активность нашей планеты многим обязана непрерывному потоку морской воды, просачивающейся сквозь земную мантию. Именно это поддерживает Землю в неравновесном состоянии. Вот за счет чего вертится мир⁴.

Реакция морской воды с породами мантии не только служит движущей силой непрерывной вулканической активности. Она также приводит к выделению тепловой энергии и немалого количества газов, особенно водорода. Эта реакция, по сути, преображает все растворенное в морской воде, отражая, подобно кривому зеркалу, причудливо раздувшиеся образы, где все реагенты “восстановлены”, то есть нагружены электронами. Главный получающийся в ходе этой реакции газ — водород, просто потому, что морская вода по большей части состоит из воды. В небольших количествах выделяются и другие газы. Так образуется смесь, похожая на ту, которую использовал Стэнли Миллер и которая столь удачно подошла для получения предшественников сложных молекул, таких как белки и ДНК. Так, углекислый газ в ходе этой реакции превращается в метан, азот — в аммиак, а сульфаты — обратно в сероводород.

Тепло и газы прорываются на поверхность, образуя гидротермальные источники второго типа. Эти источники отличаются от “черных курильщиков” едва ли не по всем параметрам. Они не кислые, а щелочные. Они теплые или горячие, но гораздо холоднее адского жара “черных курильщиков”. Обычно они встречаются на некотором расстоянии от срединно-океанических хребтов — источников расползающегося нового материала морского дна. Кроме того, обычно они образуют не вертикальные черные трубы с единственным отверстием наверху, сквозь которое вырываются клубы черного дыма, а сложные структуры, испещренные крошечными полостями, которые надстраиваются за счет осадка, выпадающего из нагретого щелочного раствора по мере того, как он просачивается в толщу холодной океанской воды. Я подозреваю, что причина, по которой лишь немногим доводилось слышать о гидротермальных источниках этого типа, связана с обозначающим процесс их работы невразумительным термином “серпентинизация” (от названия минерала серпентина). Для наших целей предлагаю называть их просто щелочными источниками, хотя это и звучит не так выразительно по сравнению с “черными курильщиками”. Нам еще предстоит оценить важность слова “щелочные” в этом наименовании.

Как ни странно, до недавнего времени существование щелочных источников предсказывалось исключительно теорией, а знали их только благодаря нескольким отложениям ископаемых остатков. Самым известным, обнаруженным в окрестностях деревни Тина в Ирландии, около 350 миллионов лет. Именно они заставили Майка Рассела еще в 8о-х годах задуматься о возможности происхождения жизни в щелочных источниках. Исследовав под электронным микроскопом тонкие срезы пузырчатой породы, залегавшей неподалеку от ископаемого источника, он обнаружил, что некогда образовавшиеся в ней крошечные полости сходны по размеру с органическими клетками. Эти полости диаметром в одну десятую миллиметра или меньше оказались связаны друг с другом в сложную, похожую на лабиринт сеть. Рассел предположил, что такие минеральные клетки могут формироваться, когда жидкость из щелочного источника смешивается с кислой водой океана. Вскоре он успешно получил в лаборатории аналоги исследованной им пористой породы посредством смешивания щелочного и кислого растворов. В письме, опубликованном в 1988 году в журнале “Нейчур”, Рассел отмечал, что условия щелочных источников, судя по всему, делали их идеальными инкубаторами для жизни. В полостях откладываемых там пород естественным путем могли накапливаться органические вещества, а стенки этих полостей, сложенные из минералов, содержащих железо и серу (таких, как макинавит), придавали оболочкам неорганических клеток каталитические свойства, предугаданные Гюнтером Вехтерсхойзером. В статье 1994 года Рассел и его коллеги выдвинули следующее предположение:

Жизнь возникла в растущих скоплениях пузырьков сульфида железа, заполненных щелочным и высоковосстановленным гидротермальным раствором. Эти пузырьки формировались гидростатически у горячих сульфидных подводных источников, располагавшихся на некотором расстоянии от центров океанического спрединга четыре миллиарда лет назад.

Эти слова оказались пророческими: в то время работающие глубоководные щелочные источники еще не были известны. Затем, на рубеже тысячелетий, ученые, работавшие на борту глубоководного аппарата “Атлантис” (“Атлантида”), обнаружили именно такие источники километрах в пятнадцати от Срединно-Атлантического хребта, на подводном горном массиве, который, как ни странно, тоже назывался Атлантис. Учитывая эти обстоятельства, исследователи, конечно, могли назвать открытое ими поле гидротермальных источников только Затерянным городом (Лост-Сити) — в честь легендарной Атлантиды. Изящные белые колонны и карбонатные “пальцы”, тянущиеся в непроглядную тьму океана, делали это зловещее название особенно уместным. Обнаруженное гидротермальное поле не было похоже ни на одно уже известное. Некоторые из труб были не ниже “черных курильщиков”: самая высокая, получившая название “Посейдон”, вздымалась над морским дном на шестьдесят метров. Но эти сооружения отнюдь не выглядели мощными и тяжелыми: их тонкие пальцы напоминали готические украшения в стиле “каракулей”, по выражению историка Джона Норвича. “Дыхание” этих источников было бесцветным, из-за чего складывалось ощущение, будто город, навеки застывший в своем суровом великолепии, и вправду был внезапно оставлен его жителями. В отличие от “черных курильщиков” с их адским дымом, эти источники не курили, а лишь тянули вверх свои белые пальцы.

Хотя “дыхание” щелочных источников невидимо, оно вполне реально и его хватает для поддержания жизни в подводном “городе”. Их трубы сложены не из содержащих железо и серу минералов (в богатой кислородом воде современных океанов железо почти не растворяется, но предположения Рассела относятся к очень давним временам), однако их стенки тоже имеют пористое строение и пронизаны лабиринтами микроскопических полостей со стенками из рыхлого арагонита. Как ни странно, древние, замолкшие структуры подобных источников, уже давно не испускающие клубы гидротермальной жидкости, гораздо тверже, потому что поры в стенках забиты кальцитом. Действующие же источники действительно живы: в их порах обитает множество трудолюбивых бактерий, вовсю использующих химическую неуравновешенность системы. Есть там и животные, сравнимые по разнообразию с населением “черных курильщиков”, хотя и сильно уступающие в размерах. Причины тому, по-видимому, экологические. Серные бактерии, процветающие в “черных курильщиках”, легко приспосабливаются к жизни внутри животных-хозяев, а бактерии (строго говоря — археи), обитающие в Затерянном городе, не образуют подобных совместных предприятий с животными⁵. Не имея внутренних бактериальных “ферм”, животные, населяющие поля щелочных источников, развиваются не столь успешно.

Башня Природы — щелочной источник тридцатиметровой высоты, возвышающийся над океанским дном, сложенным из змеевика (поле гидротермальных источников Лост-Сити в центре Атлантического океана). Участки, где расположены действующие жерла, ярко-белого цвета.

Микроскопическое строение щелочного источника, показанное на срезе шириной 1 см и толщиной 30 мкм. Видны связанные друг с другом полости, образующие идеальный инкубатор для возникновения жизни.

Жизнь в Затерянном городе зависит от реакции водорода с углекислым газом, лежащей в основе всей жизни на Земле. Необычно в Затерянном городе то, что эта реакция там идет прямо, а почти во всех других случаях она осуществляется опосредованно. На нашей планете выходящий из-под земли в форме газа чистый водород — редкий подарок, и живым существам обычно приходится добывать его там, где он соединен крепкой молекулярной связкой с другими атомами, например из воды или сероводорода. Чтобы вырвать водород из молекул таких веществ и связать его с углекислым газом, требуются затраты энергии, которую живые организмы получают исходно от солнца посредством фотосинтеза или эксплуатируя химическую неуравновешенность мира гидротермальных источников. Лишь при участии водорода эта реакция протекает самопроизвольно, хотя и мучительно долго. Впрочем, с точки зрения термодинамики такая реакция, по меткому выражению Эверетта Шока, — бесплатный обед, за который еще и приплачивают. Иными словами, она позволяет синтезировать органические молекулы напрямую и одновременно в ощутимых количествах получать энергию, которая в принципе может быть использована для других органических реакций.

Так что щелочные источники, на которые обратил внимание Рассел, действительно вполне годятся на роль инкубатора жизни. Они составляют неотъемлемую часть системы, которая приводит в движение поверхность нашей планеты и поддерживает вулканическую активность. Они пребывают в неравновесном состоянии с океанами, непрерывно поставляя в них водород, реагирующий с углекислым газом с образованием органических веществ.

Они создают лабиринты пористых полостей, где задерживаются и концентрируются молекулы этих веществ, делая гораздо вероятнее (как мы убедимся в следующей главе) сборку полимеров, как РНК. Они долговечны: трубы Затерянного города действуют уже сорок тысяч лет — на два порядка дольше, чем большинство “черных курильщиков”. И их было куда больше в глубокой древности, когда остывающая мантия планеты чаще непосредственно контактировала с водой океанов. Кроме того, океанская вода в те времена была насыщена железом, так что стенки микроскопических полостей в щелочных источниках должны были обладать каталитическими свойствами, поскольку состояли из содержащих железо и серу минералов (как и ископаемые остатки источников из деревни Тина в Ирландии). При этом они могли работать как природные проточные реакторы, в которых термические и электрохимические градиенты обеспечивали циркуляцию жидких реагентов по системе полостей с каталитическими стенками.

Все это прекрасно, но один лишь реактор, сколь угодно замечательный, — это еще не жизнь. Каким образом жизнь развилась из таких природных реакторов в тот изумительно сложный ковер, полный неповторимых узоров, который мы видим вокруг? Точный ответ, разумеется, неизвестен, но в нашем распоряжении есть некоторые ключи. Намеки нам дает сама жизнь, в первую очередь набор фундаментальных, глубоко консервативных реакций, общих почти для всех живых организмов, обитающих сейчас на Земле. Этот набор ключевых процессов обмена веществ, живое биохимическое ископаемое в каждом из нас, позволяет услышать отголоски самого далекого прошлого, вполне созвучные представлениям о первоначальном зарождении жизни в щелочном гидротермальном источнике.

Возможны два подхода к изучению проблемы происхождения жизни: от простого к сложному и от сложного к простому. В этой главе мы, обсуждая геохимические условия и термодинамические градиенты, скорее всего, существовавшие в древнейшие времена, до сих пор следовали подходу “от простого к сложному”. Мы пришли к мысли, что колыбелью жизни были, скорее всего, теплые глубоководные источники, испускавшие водород в насыщенную углекислым газом океанскую воду. Работавшие там природные электрохимические реакторы, судя по всему, могли генерировать как органические вещества, так и энергию. Однако мы до сих пор не говорили о том, какие именно реакции там шли и как они привели к появлению жизни.

Единственный источник надежных сведений о возникновении жизни — сама жизнь. Подход “от сложного к простому” предполагает выявление именно таких сведений. Можно составить перечень свойств, общих для всех живых существ, и на его основе попытаться реконструировать гипотетические свойства Последнего всеобщего предка (Last Universal Common Ancestor), любовно называемого также ЛУКА (LUCA). Так, учитывая, что лишь малая часть бактерий способна к фотосинтезу, сам ЛУКА едва ли умел фотосинтезировать. Если предположить, что он умел это делать, значит, подавляющее большинство его потомков отказалось от этого ценного навыка. Подобное представляется маловероятным, хотя этого нельзя исключать. Но у всего живого на Земле есть и общие свойства: все существа состоят из клеток (за исключением вирусов, которые могут функционировать только в клетках), у всех есть записанные в ДНК гены, все кодируют белки с помощью универсального кода, определяющего порядок аминокислот. Все живые существа используют одну и ту же энергетическую “валюту” — АТФ (аденозинтрифосфат), играющую роль чего-то вроде десятифунтовой купюры, которой можно “расплачиваться” за любую работу, выполняемую в клетке (подробнее мы поговорим об этом позже). Исходя из этого, логично предположить, что все живые организмы унаследовали эти общие свойства от своего далекого общего предка — ЛУКА.

Все живое в наши дни обладает общим набором ключевых процессов обмена веществ, в основе которых лежит небольшой цикл реакций, называемый циклом Кребса (в честь немецкого ученого и нобелевского лауреата Ханса Кребса, открывшего этот цикл в 30-х годах в Шеффилде, где он работал после бегства от нацистов). Цикл Кребса — святая святых биохимии, хотя не одному поколению студентов он казался лишь пыльной реликвией, которую нужно вызубрить к экзаменам, а затем забыть как страшный сон.

Но цикл Кребса по праву получил свой культовый статус. В кабинетах университетских отделений биохимии — тех кабинетах, где на столах громоздятся стопки книг и статей, иногда соскальзывающих на пол и попадающих в корзину, из которой лет по десять не выбрасывают мусор, — на стене нередко можно найти приколотую булавками выцветшую, скрученную, потрепанную схему метаболических реакций. Студент, ожидающий возвращения преподавателя, смотрит на нее со смешанным чувством интереса и ужаса. Эти реакции поражают своей сложностью, напоминая нарисованную сумасшедшим схему метро, испещренную идущими во всех направлениях стрелочками, петляющими друг вокруг друга. Хотя эта схема и выцвела, на ней все-таки видно, что стрелки окрашены в разные цвета, обозначающие различные метаболические пути: красный — белковый, зеленый — липидный, и так далее. В нижней части схемы, отчего-то производя впечатление центра всей этой мешанины из стрелок, располагается кружок — может быть, единственный круг, да и вообще единственный упорядоченный элемент во всей схеме. Это и есть цикл Кребса. Разглядывая его, постепенно замечаешь, что почти все остальные стрелки на схеме так или иначе идут от цикла Кребса, как спицы смятого велосипедного колеса отходят от его оси. Он составляет центр всего, метаболическую основу клетки.

Теперь цикл Кребса не кажется такой уж пыльной реликвией. Недавние медицинские исследования показали, что он лежит в основе и физиологии, и биохимии клетки. Изменения скорости, с которой идет этот цикл, влияют на все, от энергетического уровня клетки до старения и рака. Но еще удивительнее, что цикл Кребса, как выяснилось, может идти и в обратную сторону. В норме этот цикл перерабатывает органические молекулы (поступающие в организм с пищей), образуя водород (которому предстоит сгореть в процессе дыхания, соединяясь с кислородом) и углекислый газ. Таким образом, цикл Кребса поставляет не только вещества-предшественники, с которых начинаются метаболические пути, но и небольшие порции водорода, позволяющие генерировать энергию в виде молекул АТФ. Идущий в обратном направлении цикл Кребса выполняет противоположную функцию: он поглощает углекислый газ с водородом и производит новые молекулы органических веществ, на основе которых синтезируются все основные “строительные блоки” жизни. При этом он уже не выделяет энергию, а поглощает ее, расходуя молекулы АТФ. Дайте этому циклу углекислый газ, АТФ и водород, и он как по волшебству начнет вырабатывать “строительные блоки” жизни.